彭啟鳳，郭華忠，黃國健，陳 敏，王新華

（1.廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院，廣東 廣州 510180；2.廣東瑞州科技有限公司，廣東 佛山 528000）

1 問題的提出

連桿作為皮革切割機(jī)的一個(gè)傳動(dòng)裝置，可以將偏心軸承的偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B桿底部刀件的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)切割功能，它是皮革切割機(jī)的一個(gè)重要的組成裝置，其結(jié)構(gòu)性能直接影響切割機(jī)的使用壽命［1，2］。圖1為投入使用的皮革切割機(jī)整體示意圖。連桿工作時(shí)處于反復(fù)振動(dòng)過程之中，為了提高效率，要求連桿在滿足強(qiáng)度和剛度要求的同時(shí)，還需要質(zhì)量盡可能輕。要解決這個(gè)問題就需要用到結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的理論［3］。越來越多的科研工作者借助CAD與CAE軟件的結(jié)合來實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，可以說將CAE分析系統(tǒng)與CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)集成是目前仿真設(shè)計(jì)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)［4－6］。

圖1 切割機(jī)的整體示意圖

本文運(yùn)用三維有限元分析軟件Autodesk Simulation Mechanical，針對(duì)在實(shí)際使用過程中皮革切割機(jī)連桿與刀件的連接部分常發(fā)生斷裂的情況，先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力學(xué)分析計(jì)算，找出應(yīng)力集中明顯的區(qū)域，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，然后對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行分析，直到設(shè)計(jì)出一個(gè)具備足夠強(qiáng)度與剛度且易于加工及安裝的合理結(jié)構(gòu)。

2 模型的建立

連桿結(jié)構(gòu)如圖2所示，連桿的安裝形式如圖3所示，可以認(rèn)為連桿由上連桿、中部桿及下連桿組成，這3個(gè)構(gòu)件之間以螺紋連接的方式連接。上連桿的兩個(gè)圓盤之間剛好放置偏心軸承，偏心軸承的高速轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)連桿上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，刀片在連桿的帶動(dòng)下對(duì)皮革進(jìn)行切割，同時(shí)切割機(jī)沿著一定的軌跡在車床上運(yùn)動(dòng)，從而切割出特定的形狀，中部桿起連接作用，下連桿的底端是切割刀片的裝夾位置。

圖2 連桿結(jié)構(gòu)圖

圖3 連桿安裝示意圖

根據(jù)連桿結(jié)構(gòu)用三維設(shè)計(jì)軟件建立連桿模型，并將模型轉(zhuǎn)成igs格式導(dǎo)入到Autodesk Simulation Mechanical軟件中進(jìn)行靜力學(xué)分析。分析前先對(duì)模型進(jìn)行單元定義及網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

3 載荷及邊界條件

連桿裝配在振動(dòng)刀套上，上連桿的兩個(gè)圓盤之間有一個(gè)偏心軸承，下連桿則由一個(gè)導(dǎo)向軸承約束住，使連桿只能沿著軸向平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)。

皮革對(duì)于連桿的作用力可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)分量：一個(gè)是上下切割時(shí)的軸向作用力；另一個(gè)是走刀時(shí)的徑向作用力，該作用力的方向一直垂直于刀片與連桿的接觸面。

圖4 改進(jìn)前連桿的網(wǎng)格模型

4 材料參數(shù)

整個(gè)連桿材料采用6061鋁，其基本物理性能如表1所示。

表1 6061鋁的基本物理性能

5 改進(jìn)前連桿的靜力分析結(jié)果

對(duì)模型施加適當(dāng)?shù)募s束，在裝刀面上施加10 N垂直于裝刀面的徑向載荷，在連桿底部施加10 N向下的軸向載荷。分析得到的Mises應(yīng)力如圖5所示，位移如圖6所示。

圖5 改進(jìn)前連桿應(yīng)力圖

圖6 改進(jìn)前連桿位移圖

由以上分析結(jié)果可知：刀頭作用在裝刀面上的力為10 N時(shí)，最大應(yīng)力為21.98 MPa，最大位移為1.7×10－5m，出現(xiàn)在連接面端部。根據(jù)實(shí)際使用情況可知連桿的軸向載荷基本不會(huì)改變，而徑向載荷則會(huì)隨著走刀速度的增加而增加。所以本文研究了軸向載荷不變的情況下徑向載荷從10 N變化到100 N的應(yīng)力及位移情況，分析結(jié)果如表2所示。

6 對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化

從上面的分析可知梯形凸臺(tái)處的應(yīng)力集中情況非常明顯。為了改善應(yīng)力集中的情況，考慮對(duì)刀頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，將原來的梯形改成了U形，以減少結(jié)構(gòu)的形狀突變，增加裝刀處的受力面積，同時(shí)U形槽的結(jié)構(gòu)也能實(shí)現(xiàn)安裝穩(wěn)固的要求。裝刀處改進(jìn)前、后的結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖7所示。對(duì)改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在裝刀面上施加10 N垂直于裝刀面的徑向載荷，在連桿底部施加10 N向下的軸向載荷，分析所得的Mises應(yīng)力如圖8所示，位移如圖9所示。

表2 改進(jìn)前不同載荷下連桿的靜力分析結(jié)果

圖7 改進(jìn)前、后裝刀處結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 改進(jìn)后連桿的應(yīng)力圖

圖9 改進(jìn)后連桿的位移圖

同樣分析改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在軸向載荷不變的情況下徑向載荷從10 N變化到100 N的應(yīng)力及位移情況，分析結(jié)果如表3所示。

表3 改進(jìn)后不同載荷下結(jié)構(gòu)的靜力分析結(jié)果

對(duì)比改進(jìn)前、后的應(yīng)力情況可知，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力比改進(jìn)前降低了85.38%，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)在100 N的徑向力作用下的最大應(yīng)力為38.05 MPa，能夠符合結(jié)構(gòu)在異常工況下的使用要求，說明這個(gè)改進(jìn)合理可行。

7 結(jié)論

本文對(duì)出現(xiàn)破壞的模型進(jìn)行有限元分析，找出了連桿結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的位置，并給出了合理的改進(jìn)方案。對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行分析可以看出，模型改進(jìn)后的應(yīng)力集中情況明顯改善，在同樣的外載荷作用下結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力值減少了85.38%。本文的分析結(jié)果可以為皮革切割機(jī)連桿設(shè)計(jì)提供參考。

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